Besoin d'un petit clavier - faites-le vous-même

Si vous avez besoin d'un clavier, vous pouvez en acheter un. Si vous avez besoin d'un petit clavier, tout est plus compliqué. En plus des options de modification du clavier Blackberry ou de l'agitation avec de minuscules commutateurs tactiles, il n'y a pas de solutions normales pour obtenir des claviers petits, fins et spécialisés. Cependant, il existe une option: les claviers en silicone. Personne ne l'a encore fait, alors j'ai décidé - pourquoi ne pas essayer.

Malheureusement, il n'y a pas d'informations prêtes à l'emploi sur la conception, la création ou la production de nos propres claviers en silicone. Il y a très peu de documentation et toutes les usines qui les fabriquent semblent se copier des informations. Demander à une entreprise chinoise comment procéder revient à jouer avec un "téléphone cassé". Mais, malgré tout cela, j'ai réussi à créer mon propre clavier en silicone, et maintenant je partage des informations sur la façon dont cela se fait.

L'objectif du projet est de créer un très petit clavier d'ordinateur pour les appareils portables, les badges électroniques, jouer à Fortnite sur un ordinateur portable, ou simplement pour être utilisé comme clavier USB. Cela a déjà été fait auparavant. L'insigne de la conférence Hackaday Belgrade de 2018 utilisait 55 commutateurs tactiles standard disposés sous la forme d'un clavier. Un autre projet avec Hackaday.io appelé (Pi) QWERTY a également utilisé des dizaines de commutateurs d'horloge standard. Cependant, de tels appareils ont leurs inconvénients.


PiMiniQWERTY - le meilleur des claviers miniatures faits maison

Premièrement, les boutons tactiles standard de 4 mm sont assez chers. Ce n'est pas un problème si vous en utilisez un petit nombre pour un projet, mais si vous avez besoin de 60 à 70 boutons par appareil, le coût commence à augmenter. Le moins cher de ceux que j'ai trouvé coûte 70 $ par rouleau sur 4000, ou quelques cents chacun. Prenez 70 pièces et obtenez 1,25 $ par appareil - juste pour les boutons. Il peut s'avérer que les boutons coûteront plus cher que le microcontrôleur.

Deuxièmement, les boutons tactiles doivent être assemblés. Le nombre de pannes peut ne pas être très important, mais si vous assemblez des cartes entières à partir de commutateurs, ce sera plus que s'il s'agissait de périphériques uniques. Par rapport aux résistances SMD et aux capuchons, les boutons sont gros et épais, ce qui augmente le nombre de chutes lorsqu'ils sont placés. De plus, comme il faut beaucoup de temps pour assembler un tel clavier, vous devez payer plus pour l'assemblage des boutons que pour l'installation d'un appareil fini. Cela augmente le coût du clavier basé sur des commutateurs tactiles.

Enfin, les boutons ne sont pas étiquetés. Si vous assemblerez un clavier de boutons de 4 mm, vous devrez faire le marquage sur la carte. À la conférence de Belgrade, cela s'est plutôt bien passé, tandis que le mini (Pi) QWERTY l'a fait avec brio, car ils ont utilisé deux cartes, une pour l'électronique et une pour les signatures. On peut imaginer inscrire les boutons, mais leur surface est déjà très petite.

Solution: utilisez des claviers en silicone moulés par injection. Ces claviers sont dans presque toutes les télécommandes, ils étaient utilisés dans les anciens téléphones Nokia tels que les "brick". Les claviers en silicone sont partout, et il y a des usines qui les fabriquent sur commande.


Claviers en silicone avec TaoBao et AliExpress. Les entreprises qui les vendent les fabriquent également sur commande.

Les claviers en silicone présentent de nombreux avantages. Tout d'abord, la plupart d'entre eux utilisent des étiquettes de bouton. Deuxièmement, vous n'êtes pas limité à des boutons de 4 mm. Les boutons peuvent avoir n'importe quelle taille et n'importe quelle forme. Les collecter est facile; Pour utiliser un tel clavier avec une carte, il vous suffit de le placer sur la carte; tout le reste a déjà été fait pour vous. Enfin, le clavier en silicone est plus frais que n'importe quel bouton. Alors pourquoi ne les utilisent-ils pas? Principalement à cause du coût, cependant il y a quelques problèmes d'ingénierie.

Différents types de commutateurs en silicone et à membrane

Clavier à membrane ZX Spectrum

Avant de vous plonger dans la conception de claviers en silicone, vous devez discuter de la disposition des petits claviers et des ensembles de claviers. Les premiers sont des claviers Metal Dome ou des claviers à membrane. Les meilleurs exemples de tels boutons tactiles à membrane sont les claviers des ordinateurs domestiques populaires des années 1980, ZX Spectrum ou Atari 400. Si vous regardez ailleurs dans l'appartement, vous pouvez avoir un tel clavier au micro-ondes.

Ces claviers ont des boutons matriciels. Le circuit électrique est constitué de pistes dessinées à l'encre conductrice sur deux feuilles de polyester. Un dôme en acier inoxydable est situé sous chaque bouton. Une pression sur le bouton comprime le dôme et ferme deux couches de polyester.

Les meilleures images de clavier à membrane peuvent être prises à partir de l' un de vos projets . Ces membranes ne se soucient pas de la façon dont le dôme métallique a été pressé. L'option la plus simple consiste à placer les boutons et les lettres directement sur le dessus de la membrane. Un morceau de plastique peut être collé sur une gamme de commutateurs tactiles. C'est exactement ainsi que sont fabriqués les claviers dans les jouets Speak N Spell et Big Trak [en URSS, il y avait un analogue d'un tel jouet, "Lunokhod" / env. trad.]. C'est ainsi que vous pouvez fabriquer un clavier pour un bébé de trois ans, à l'abri du beurre d'arachide.

Cependant, les commutateurs à membrane pure au toucher sont très bon marché et ne fournissent pas de rétroaction tactile. Une option consiste à placer les boutons en plastique au-dessus du commutateur à membrane. Les claviers Metal Dome (avec un dôme métallique) utilisent des touches en plastique dur qui appuient sur de petits dômes métalliques pris en sandwich entre deux couches de polyester à encre conductrice:











Mais les claviers à membrane n'ont pas besoin de boutons en plastique dur. Vous pouvez utiliser du silicone souple, au-dessus du clavier à membrane, comme cela se fait sur le ZX Spectrum. Au lieu de rectangles en plastique rigide, comme dans mon projet Metal Dome, Speccy a utilisé une seule toile de boutons en silicone. Le ZX Spectrum utilisait des boutons en silicone sur son clavier, mais c'était toujours un clavier à membrane. Peu importe comment appuyer sur un dôme métallique - à travers une feuille de plastique avec des caractères imprimés ou des rectangles en silicone.

Un autre type de clavier - celui que j'ai fabriqué pour cet article - est un clavier en silicone ou en caoutchouc .


Le clavier à membrane omniprésent pour Arduino

Le clavier en caoutchouc utilise des boutons en silicone moulés par injection qui pressent les contacts. Un contact en carbone («tablette») est intégré dans le bouton en silicone, et les contacts pour la matrice du clavier sont créés à partir des pistes sur la carte de circuit imprimé. Les contacts peuvent être intégrés dans la carte (technologie ENIG recommandée) ou imprimés sur les encres conductrices. Dans tous les cas, le clavier se compose d'une carte de circuit imprimé, de boutons en silicone avec des contacts conducteurs sous chaque bouton, de petits contacts en carbone conducteur dans chaque bouton et des prises pour fixer du silicone sur la carte.

En choisissant entre une membrane et un clavier en caoutchouc, il convient de considérer quelques points, et beaucoup d'entre eux sont capables de l'emporter sur les échelles en faveur d'une membrane. Bien que les claviers en caoutchouc puissent être fabriqués en plusieurs couleurs, les caractères du clavier à membrane sont essentiellement imprimés; sur le clavier à membrane, vous pouvez créer des caractères de n'importe quelle couleur. Les claviers à membrane sont moins chers car ils n'ont pas besoin de moule. Les claviers en caoutchouc nécessitent une bande contenant un bloc monolithique de clés en silicone, ce qui signifie le coût supplémentaire d'un deuxième moule pour la coulée. Et le clavier en caoutchouc ne gagne que sur les sensations tactiles. Si vous avez déjà essayé d'utiliser l'Atari 400, vous en conviendrez: il est beaucoup plus facile de taper sur des claviers en caoutchouc. Et ils sont plus élégants que ceux à membrane.

Projets en cours

Pas un clavier en caoutchouc spécialisé qui peut être utilisé même maintenant

Aujourd'hui, je ne connais pas de cas d'utilisation de claviers en caoutchouc spécialisés en petites séries. Bien sûr, ils existent dans la communauté du bricolage: Adafruit vend des claviers 4x4 (Sparkfun a la même chose ), et des boutons similaires peuvent être commandés sur AliExpress et eBay. Oui, bien sûr, Sparkfun et Adafruit ont dépensé pour le développement de cartes, mais les boutons eux-mêmes sont susceptibles de faire quelque part loin, très loin. Ce ne sont pas des claviers spécialisés; ce sont des claviers standard prêts à l'emploi pour des projets spécialisés.

Et ces boutons en caoutchouc ont été beaucoup utilisés où: pour créer un clone Monome , un séquenceur pas à pas , un appareil MIDI . C'est pour cela que les boutons en silicone rétro-éclairés ont été développés: ils font des contrôleurs MIDI sympas. Mais comme il n'y a pas de balises dessus, elles ne servent à rien d'autre.

Et ce sont les seuls, pour autant que je sache, des projets de bricolage qui utilisent des claviers en silicone 4x4. Bien sûr, les gens essaient de faire autre chose. Certains d'entre eux recherchent des claviers en caoutchouc sur les forums , et certains expérimentent des moules en aluminium, mais jusqu'à présent, personne n'a réussi. Dave Jones a rejeté l'idée de claviers en caoutchouc pour son projet uSupply et est passé à des commutateurs à membrane spécialisés.

Concevoir le clavier, le boss et les trous d'air

Alors, qu'est-ce qui fait la création d'un clavier en caoutchouc? Essentiellement, nous développons un moule de coulée en acier ou en aluminium. Le moule est envoyé vers une machine de moulage par injection, où il est rempli de billes de carbone, remplies de silicone chaud, qui est ensuite vulcanisé. Un traitement ultérieur des boutons est possible - marquage laser, sérigraphie ou revêtement époxy. Concevoir un clavier en caoutchouc, c'est concevoir un moule, mais les composants de base sont assez simples. Voici un exemple - un clavier à partir d'une seule touche - que j'ai fabriqué dans Fusion360 en quelques minutes.







La forme extérieure du clavier dépend de la destination et la base est une couche de silicone. Aux coins de la base, il y a quatre bossages pour le montage sur une carte de circuit imprimé. Ils sont nécessaires pour aligner le bouton et l'empêcher de glisser.

La structure interne de la clé se compose d'une grande tablette en carbone, le contact qui cliquera sur la planche. Il y a simplement plus de touches sur le clavier, mais la forme d'une touche est essentiellement la même. Marquez les espaces au bas de la clé pour laisser passer l'air en dessous. S'ils ne sont pas créés, le clavier clignote lorsqu'il est pressé.


Clé en silicone en coupe. Un objet noir est une tablette de carbone qui sert de pont entre deux broches sur la carte.


Les dimensions de mon clavier sont en mm.



Une fois le projet de clavier terminé et les fichiers envoyés à l'usine pour la fabrication de moules et la production de plusieurs échantillons de test, il était temps de développer une carte de circuits imprimés. Pour mon projet, le circuit n'avait pas beaucoup d'importance - l'essentiel est que la carte avait deux pistes étroitement connectées aux côtés opposés de la matrice du clavier. Pour cela, la technologie ENIG est recommandée. Les restrictions de production comptent également: le minimum standard de la largeur de la piste et la distance entre eux est de 0,15-0,20 mm, et j'ai développé une planche avec des pistes de 0,25 mm et la même distance entre elles.

Après avoir terminé le clavier et la carte, vous pouvez passer à la bande de montage. Il s'agit de plastique perforé vissé sur la carte. Un clavier en caoutchouc est pincé entre celui-ci et la carte. J'ai fait le prototype suivant, juste pour tester le clavier. Électronique - juste Teensy LC (était à portée de main), avec une découpe donnant accès à la carte pour le prototypage:





J'ai envoyé ce modèle à Shapeways et le clavier a été assemblé. Le firmware de Teensy utilise la bibliothèque de claviers standard et apparaît à l'ordinateur comme un périphérique USB HID. Il s'est avéré un clavier en caoutchouc spécialisé exactement de la forme dont j'ai besoin. Ce n'est pas la dernière option, car le clavier USB n'est qu'un concept de travail pour vérifier les touches en caoutchouc, mais cela fonctionne vraiment.















Je vais révéler le coût du projet; il faut garder à l'esprit que l'échantillon ici est très petit - je me suis tourné vers un seul fabricant avec un seul modèle. Cependant, en raison de la forte concurrence sur le marché, je pense que ces prix seront suffisamment représentatifs pour le coût moyen d'un clavier en caoutchouc spécialisé.

Le coût est le suivant:

D'un point de vue économique, tout cela a du sens avec des diffusions de l'ordre de 10 000

Le coût total d'un petit nombre d'échantillons s'est avéré être égal à 2877 $. Il s'agit du coût d'un moule pour la coulée et la vérification par un ingénieur des fichiers CAO. Dix claviers pour trois mille dollars.

Cependant, après toutes les étapes de conception et de préparation, l'usine est en mesure d'émettre des packs de claviers. Après cela, le coût d'une pièce devient égal à 1,3 $ pour une diffusion de 1000 à 0,79 $ pour une diffusion de 5000. Ainsi, un total de mille claviers me coûtera 4 177 $, soit 4,18 $ par pièce. Cinq mille claviers coûteront 6 827 $, ou 1,36 $ chacun. Ce prix, inférieur à 1,5 $, rend cette technologie viable pour la production à petite échelle.

Les claviers en caoutchouc conviennent aux grands fabricants: Samsung vend des millions de téléviseurs et tous ont une télécommande. La question de la fabrication d'un clavier en caoutchouc pour un projet de bricolage est toujours restée ouverte. Les projets à petite échelle n'utilisent pas cette technologie, donc personne n'a demandé si les commutateurs spécialisés en silicone avaient du sens. Je dis que cela a du sens si vous faites mille claviers. À un tirage de cinq mille exemplaires, le coût d'un clavier en caoutchouc et des attaches en plastique peut tomber en dessous du coût d'un microcontrôleur.

→ Toutes les sources du projet sont disponibles sur GitHub